Nagyteljesítményű villamosenergia-átvitel nagy egyenfeszültségen

Előadás az Energetikai Szakkollégiumban

BME VIK Villamos Energetika Tanszék

Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport

Kimpián Aladár tiszteleti oktató

Budapest, 2014. 03. 27.

Rövid történeti bevezető (már a régi görögök is … )

Az emberiség kollektív tapasztalata szerint a világegyetem elválaszt-hatatlan, megszüntethetetlen és mindenütt jelenvaló része az elektro-mágneses tér.

A XIX. század óta, Michael FARADAY és James Clerk MAXWELL, valamint elődeik, André Marie Ampère, Hans Cristian Ørsted, Jean Baptiste Biot, Felix Savart és mások munkássága nyomán tudjuk, hogy az elektromág-neses tér – erőtér, amely munkát tud végezni.

Ugyanettől az időtől a találékony emberiség számtalan olyan eszközt hozott létre, amelyet „áram hajt”, azaz működéséhez villamos energia szükséges.

De: az emberiség máig adós annak feltalálásával, hogy a természetben az eszközök működtetésére közvetlenül felhasználható formában nem található villamos energiát miképpen lehetne olyan „kvantumokban” előállítani, amilyenek ezeknek az eszközöknek a működéséhez illeszked-nének (pl. kicsiny tömegű, 1500 W-os áramtermelő „izé” az 1500 W-os porszívóhoz).

Marad tehát a jó öreg villamos hálózat, amely a kisebb-nagyobb erőmű-vekben koncentráltan megtermelt villamos energiát elszállítja az „áram által működtetett eszközökhöz”: a fogyasztókhoz.

A vita – időnként háborúság („the War of Currents”) – arról, hogy ez a nélkülözhetetlen hálózat a Thomas Alva EDISON által favorizált egyenáramú, vagy a Nikola TESLA által feltalált és szabadalmaztatott, George Westinghouse által anyagilag támogatott váltakozó áramú legyen-e, már a XIX. század nyolcvanas éveiben elkezdődött.

Edison Tesla Westinghouse

Edison ragaszkodott a háromvezetős (+110 V, 0, -110 V) egyenáramú rendszerhez, amely annak ellenére jelentős területeket hódított meg az Egyesült Államokban, hogy a kis feszültség miatti nagy I2R veszteség és a túl nagy feszültségesés elkerülésére sűrűn – egymástól kb. 1,5 mérföld (kb. 2,5 km) távolságra – kellett telepíteni az egyenáramú generátorokat.

A Tesla által szorgalmazott és Westinghouse által támogatott váltakozó áram döntő fölényét a magyar Ganz és Tsa cég három zseniális mérnöke, Déri Miksa, Bláthy Ottó Titusz és Zipernowsky Károly által feltalált és szabadalmaztatott zárt vasmagú transzformátor és a fogyasztók párhu-zamos kapcsolásának rendszere alapozta meg, amelyek lehetővé tették nagy teljesítmény szállítását nagy távolságra, kis veszteséggel.

Edisonék különböző eszközökkel sokáig igyekeztek megakadályozni a váltakozó áram térhódítását:

‒ Sajtókampányt indítottak a közönség meggyőzésére, hogy a váltakozó áram sokkal veszélyesebb, mint az egyenáram.

‒ Bár Edison ellenezte a halálbüntetést, az az elhatározása, hogy ellehetetleníti a váltakozó áramú rendszert, vezetett oda, hogy egyik alkalmazottja, Harold P. Brown megkonstruálta az első villamosszéket, melyet természetesen váltakozó árammal működtettek.

De minden ármány ellenére a váltakozó áram folytatta térhódítását, mind a termelés, mind a felhasználás terén: ahogy nőtt a motorikus fogyasztók száma és teljesítménye, úgy vált egyre általánosabbá a válta-kozó áramú termelés, átvitel, elosztás és fogyasztás és szorult vissza az egyenáramú hálózat. A sporadikusan megmaradt egyenáramú fogyasz-tókat többé már nem egyenáramot termelő erőművek, hanem a váltakozó áramú hálózatról táplált egyenirányítók látták el.

A versenyt, hogy a villamosenergia-szolgáltatás egyen- vagy váltakozó áramú hálózatra épüljön-e, végül is a váltakozó áram elvi határok nélküli, több ezer MW-os teljesítmény-tartományban megvalósítható, egyszerű és viszonylag olcsó transzformálhatósága döntötte el; ilyet az egyenárammal egyszerű módon és eszközökkel nem tudunk csinálni, azaz nem tudunk létrehozni egy több feszültségszintű egyenáramú háló-zatot.

Segítette a döntést az orosz Mihail Oszipovics Dolivo-Dobrovolszkijnak, az AEG mérnökének találmánya, a kalickás forgórészű, háromfázisú váltakozó áramú aszinkron motor, amely a ma létező legegyszerűbb villamos forgógép, és amelyet szerte a világon széles teljesítmény-tartományban és óriási mennyiségben gyártottak és gyártanak.

Dolivo-Dobrovolszkij (1862, Szentpétervár – 1919, Heidelberg), a rigai műszaki egyetemen tanult, majd a II. Sándor cár elleni 1881-es sikeres bombamerényletet követő represszió elől Németországba távozott. Tanulmányait a darmstadti műegyete-men folytatta, majd belépett az Allgemeine Elektrizitätswirtschafts-AG (AEG)-hez, és haláláig itt dolgozott.

A háromfázisú váltakozó áram döntő áttörését hozta az 1891-es frankfurti Nemzetközi Elektrotechnikai Kiállítás, melynek világítási és motorikus fogyasztóit a Lauffen am Neckar-i vízerőmű általa konstruált, 150 f/min fordulatszámú, 40 Hz-es, 200 kVA-es, 50 V-os generátora táplálta háromfázisú váltakozó árammal, feltranszformálva, egy 175 km-es, 15 kV-os, szintén általa tervezett távvezetéken keresztül.

M. O. Dolivo-Dobrovolszkij és 2 lóerős háromfázisú aszinkron motorja

A XX. század első felében kialakultak az egyes országok váltakozó áramú nemzeti – nagyobb országok, mint pl. az Egyesült Államok, Kanada, Japán, a Szovjetunió esetén az egyes országrészek regionális – villamos-energia-rendszerei (Kerényi A. Ödön közkeletűvé vált rövidítésével VER-jei), a század második felében pedig létrejöttek e nemzeti, illetve regionális VER-ek egyesülései (ismét csak Kerényi A. Ödön rövidítésével VERE-i [villamosenergia-rendszer egyesülései]).

Ha a nemzeti, illetve regionális rendszerek önmagukban többé-kevésbé kiegyensúlyozottak voltak, azaz annyit termeltek, amennyit fogyasz-tottak, illetve a szomszédos rendszerek névleges frekvenciája ugyanaz volt, akkor a VER-eket kellően nagy átviteli képességű váltakozó áramú, nagyfeszültségű – a kontinentális Európában 400, 380 vagy 220 kV-os – távvezetékekkel össze lehetett kötni. Így jött létre 1951-ben az európai kontinens első nagy VERE-je, az UCPTE ( Union for the Coordination of Production and Transmission of Electricity), melyhez 1995. október 18-án mi is csatlakoztunk.

Az Európai Unió belső villamosenergia-piacának liberalizációja kapcsán 1999. július 1-én az UCPTE-ből kikerült a P, és lett UCTE, melynek Magyarország 2001. május 17-én lett teljes jogú tagja.

Az európai tag-rendszeregye-sülések:

Bordó: UCTE

Zöld: NORDEL (Dánia [egy része], Finnország, Izland, Norvégia, Svédország)

Barna: UKTSOA (Nagybri- tannia)

Narancs: ATSOI (Írország, Észak-Írország)

Lila: BALTSO (Észtország, Lettország, Litvánia)

E tag-rendszeregyesülések-ből alakult 2009. 07. 01-én az ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity).

Az egységes ENTSO-E 34 tagországa és térképe.

Nem tagok: Albánia, Török-ország és a Szovjetunió európai utódállamai közül Belarusz, Moldova, Oroszország és Ukrajna.

Milyen feltételeknek kell tel-jesülniük két villamosenergia-rendszer egyesülés váltakozó áramú távvezetékeken ke-resztül történő párhuzamos üzeméhez?

‒ Legyen azonos a két VERE névleges frekvenciája (pl. 50 Hz).

‒ Mindkét VERE legfeljebb néhány század Hz-cel térhet el a névleges frekvenciától, ellenkező esetben az összekapcsolás pillanatában olyan nagy teljesítményáramlás indul meg a nagyobb frekvenciájú VERE-ből a kisebb frekvenciájú VERE felé, amely meghaladhatja az összekötő távvezeték átviteli kapacitását, és a túlterhelés-védelem kikapcsolja a vezetéket, mielőtt a párhuzamos üzem létrejöhetett volna.

‒ Ha a két VERE frekvenciája közötti különbség tartósan nagy (néhány tized Hz), akkor a két VERE párhuzamos üzeme egyenáramú betét közbeiktatását igényli. (Így lehetett együttes üzemet tartani az UCPTE és a [volt] KGST országok CDU rendszeregyesülése között, 3 db, egyenként 600 MW átviteli kapacitású egyenáramú betéttel, német-csehszlovák osztrák-csehszlovák és osztrák-magyar irányban, Etzenricht, Dürnrohr és Wien Südost alállomásokon.)

‒ Legyen megfelelő nagyságú tartalékteljesítmény (pl. erőművi forgó-tartalék és/vagy gyorsindítású gázturbinák, import a szomszédoktól), hogy blokk-kiesés esetén a hiányzó teljesítményt meghatározott idő – legfeljebb néhány perc – alatt pótolni lehessen. Amíg a hiányt a szenvedő VER, illetve VERE a tartalékai bevetésével vagy fogyasztói korlátozással meg nem szünteti, addig az megoszlik az együttműködő VER-ek, illetve VERE-k között, és a közös frekvencia kisebb lesz.

Elérkeztünk a nagy egyenfeszültségen történő nagyteljesítményű villamosenergia-átvitel mára kiforrott, világszerte alkalmazott megoldásához:

A nagy váltakozó feszültséget egyenirányítják (azaz váltakozó áramból egyenáramot „készítenek”), majd a kapott nagy egyenfeszültséget váltóirányítják (azaz egyenáramból váltakozó áramot „készítenek”).

Változatok:

1. Az összekapcsolandó VERE-k névleges

frekvenciája azonos (pl. UCTE-CDU viszony-

latban 50 Hz) vagy különböző (pl. Japán

északi fele 50 Hz, nyugati fele 60 Hz

frekvenciájú), és mind az egyen-, mind

a váltóirányítás ugyanazon a helyen

(erőműben, alállomáson) történik;

a berendezés neve: egyenáramú betét

(back-to-back station, Gleichstromkurz-

kupplung, вставка постоянного тока).

2. Az egyen- és a váltóirányítás különböző helyeken történik, és ezeket a konverter alállomásokat több száz vagy ezer kilométer hosszúságú nagyfeszültségű egyenáramú távvezeték (szabadvezeték vagy [tenger alatti] kábel) köti össze.

A szakirodalom mindkét változatot HVDC (high voltage direct current) összeköttetésnek nevezi.

(Az ábrán a bal oldali piros blokk a nagyfeszültségű egyenirányító, a jobb oldali a váltóirányító; HVAC = high voltage alternating current.)

Néhány elméleti alapfogalom

A villamos töltés a bennünket körülvevő anyagi világ mindenütt jelenlévő, elválaszthatatlan alaptulajdonsága. Villamos töltést sem létrehozni, sem megsemmisíteni nem lehet. Kétféle villamos töltés van: pozitív (ilyen a protoné) és negatív (ilyen az elektroné). Jele: Q, q. Mértékegysége: coulomb [C]. A villamos töltések nyugalomban vannak, vagy mozognak.

A villamosságtan (elektrotechnika) e nyugvó és mozgó villamos töltések által létrehozott elektromágneses tér tudománya.

Villamos áram: a villamos töltések áramlása, amely maga körül mágneses teret hoz létre (állandó áram állandó mágneses teret, változó [váltakozó] áram változó [váltakozó] mágneses teret). Jele: I, i. Mértékegysége: amper [A].

1 A az áram(erősség), ha adott keresztmetszeten 1 C töltés 1 s idő alatt halad át.

Képletben: I [A] = Q/t [C/s]

Egyenáram: Iránya állandó, megegyezés szerint a pozitív irányú áram a + potenciálú pontból a – potenciálú pont felé folyik, nagysága lehet állandó és lehet változó.

Állandó nagyságú egyenáram:

Változó nagyságú egyenáram:

Váltakozó áram: Legegyszerűbb esete a köznapi szinuszos váltakozó áram; azonos ideig folyik + és – irányban, eközben amplitúdója (csúcsértéke) változhat.

Villamos feszültség: a villamos tér két különböző pontjában fennálló potenciál (munkavégzőképesség) különbsége. Jele: U, u. Mértékegysége: volt [V].

1 V a potenciálkülönbség (a feszültség) a villamos tér a és b pontja között, amikor 1 J (joule, ejtsd dzsul) munka szükséges 1 C töltés a-ból b-be való átviteléhez.

Képletben: U [V] = W/Q [J/C].

A feszültséget a potenciálon lévő pont és egy önkényesen választott vonatkoztatási (referencia) pont (pl. a föld), vagy két különböző potenciálon lévő pont között mérjük.

A kék görbe a 230 V, 50 Hz-es szinuszos feszültség jelalakja, a piros görbe a 120 V, 60 Hz-es szinuszos feszültségé.

Ha az egyfázisú váltakozó áramú ug generátor és az általa táplált Rt ellenállás közé egyenirányítót (diódát) kapcsolunk, áram csak minden pozitív félperiódusban folyik.

Ha Rt-vel párhuzamosan kapcsoljuk a C kondenzátort, akkor a pozitív félperiódus-ban az is töltődik. A negatív félperiódus-ban a dióda lezár. Ekkor a C kondenzátor az Rt ellenálláson keresztül kisül, így az Rt ellenállás árama viszonylag sima egyen-áram lesz (zöld vonal).

Használjuk most a Leo Graetz

(1856-1941) által feltalált híd-

kapcsolást! Ekkor a váltakozó

feszültség pozitív félperiódus-

ában a pirossal és feketével

vastagon kihúzott diódák

vezetnek és a szürkék lezárnak.

A negatív félperiódusban a szürkék vezetnek, a piros és a fekete lezár. Az egyenáramú kimenetre kapcsolt fogyasztón tehát mind-két félperiódusban folyik áram. Ha még az egyenáramú kimenettel párhuzamosan kon-denzátort is kapcsolunk, akkor kisebb kapaci-tás esetén is viszonylag sima egyenáramot kapunk.

A nagyfeszültségű egyenáramú erőátvitel szempontjából a legfontosabb egyenirányító kapcsolás a háromfázisú hídkapcsolás, mert a háromfázisú táplálás következtében ennek (és az ebből származtatható) kapcsolások-nak van a legnagyobb gyakorlati jelentőségük. Megfelelő kapacitív és induktív simító elemekkel szinte teljesen sima egyenáram érhető el.

Ha a háromfázisú táptranszformá-tort két szekunder tekercsű és az egyik csillag, a másik delta kap-csolású, valamint a háromfázisú egyenirányító hidat is megkettőz-zük, akkor előáll a leggyakrabban alkalmazott háromfázisú, kétutas, 12 ütemű kapcsolás (a szokás szerinti angol nyelvű kódolással 3Ph[ase]2W[ay]12P[ulse]), amely már majdnem sima egyenáramot ad.

Hogyan hozzák létre 2 db háromfázisú, kétutas, 6 ütemű, hídkapcsolású egyenirányítóval a 12 ütemű, már alig hullámos egyenáramot? Úgy, hogy a párhuzamosan járó transzformátorok egyikének szekundere csillag-, a másikénak 30 villamos fokkal eltolt delta kapcsolású.

Invertáláskor a sima egyen-áramot a tirisztorok vezérlé-sével a kívánt frekvenciájú periodikus, váltakozó négyszög-árammá alakítják, majd szűrőkörökkel eltávo-lítják a felharmónikusokat, így megmarad a tiszta alap-harmónikus áram.

Az igen nagy feszültségű HVDC berendezések 7500 A névleges áramú, 1,02 V soros feszültségesésű, 1200 V zárófeszültségű tirisztorai

A HVDC előnyeit és hátrányait időállóan foglalta össze Edward Wilson Kimbark (1902-1982) a szakmában alapműnek számító, 1971-ben meg-jelent Direct Current Transmission c. könyvében.

Előnyök:

1. Nagyobb az áramvezetőnkénti átvihető teljesítmény.

2. A DC szabadvezeték szerkezete egyszerűbb, mint az AC vezetéké; ki-sebb a nyomvonal szélessége, egyszerűbb, tetszetősebb az oszlop.

3. A föld használható üzemi áram-visszavezetőként.

4. Következésképp minden egyes szigetelt áramvezető külön áramkört tud képezni.

5. Nincs kapacitív töltőáram.

6. Nincs skin-hatás (azaz az áramvezető egyenáramú ohmos ellenállása kisebb, mint a váltakozó áramú).

7. Az egyenáramú kábelek nagyobb feszültség-gradienssel üzemelhet-nek.

8. Az egyenáramú távvezeték teljesítmény-tényezője mindig egységnyi, azaz nincs meddőteljesítmény, csak hatásos.

9. Kisebb a koronasugárzási veszteség és a rádió-interferencia, mert az áramvezető körüli állandósult tértöltés virtuális átmérőnövekedést okoz.

10. Nem szükséges, hogy az egyenáramú távvezeték végponti alállomá-sai szinkronban legyenek egymással.

11. Következésképp a távvezeték hosszát nem korlátozza a stabilitás.

12. Aszinkron üzemelő vagy különböző névleges frekvenciájú VER-ek vagy VERE-k összekapcsolhatók.

13. Az egyenáramú távvezeték rövidzárlati áramai kisebbek, mint a válta-kozó áramúé.

14. A váltakozó áramú villamosenergia-rendszer perturbációit (pl. zárla-tait, lengéseit) sem az egyenirányító, sem az inverter nem engedi át (tűzfal), azaz a velük összekapcsolt váltakozó áramú rendszerek nem tudják megnövelni egymás zárlati teljesítményét.

15. Az egyenáramú összeköttetésen keresztül áramló teljesítmény köny-nyen szabályozható.

16. Adott szigetelés (pl. légköz, kábel érszigetelése) 2-ször nagyobb feszültséget bír el.

17. A DC kábelösszeköttetés hossza többszöröse lehet az AC-énak.

Végeredményben tehát nagy mennyiségű (5-15 GW) villamos teljesít-mény nagy távolságra (2-3000 km-re) olcsóbban (kisebb beruházási és veszteség-költséggel) szállítható HVDC-vel, mint HVAC-vel.

Hátrányok:

1. Az áramirányítók drágák.

2. Az áramirányítók jelentős meddő teljesítményt igényelnek, amelyet a konverter alállomásokon kell előállítani.

3. Az áramirányítók felharmónikusokat termelnek, ezért szűrőkörökre van szükség.

4. Az áramirányítókat kevésbé és sokkal rövidebb ideig lehet túlterhel-ni, mint a váltakozó áramú kapcsolóberendezéseket.

5. Mivel nem létezik nagyfeszültségű egyenáramú megszakító, ez aka-dályozza többvégpontú (multiterminális) vagy hálózatos alakzatok létrehozását. (Ez a Kimbark-könyv írásakor, 1971-ben még így volt; ma már [2012 óta] léteznek félvezetős és kombinált HVDC megsza-kítók, tehát létesíthetők többvégpontú HVDC alakzatok.)

6. Földvisszavezetéses monopólusú üzemben elektrokémiai korrózió lép fel, amely kikezdi a fém csővezetékeket; az ez elleni védekezés költségnövelő.

Kimbark tevékenységének magyar vonatkozása is van: 750 kV-os távve-zetékünk 1FN íves rövidzárlatainak mindkét végponti egyfázisú kikapcso-lása után a zárlati helyen fennmaradó kapacitív áramú szekunder ív égési időtartamát az ő elgondolása alapján a távvezeték 750 kV-os söntfojtói-nak csillagpontja és a föld közé beiktatott zérus sorrendű fojtó (induktivi-tás) kompenzáló hatása rövidíti le 2-3 s-ról 0,2-0,3 s-ra, azaz 1 nagyság-renddel nő az EVA (egyfázisú visszakapcsoló automatika) sikerességének esélye.

Egy 400 kV-os távvezeték mesterséges – ún. behúzásos – 1FN zárlatának sorozatfelvé-telei. Az 1-3. képeken a primer zárlati ív, a 4-8. képeken a szekunder ív látható.

A HVDC-k mintavételes történeti áttekintése A váltakozó áramú villamosenergia-rendszereken (VER-eken) belüli vagy ezek közötti első ipari méretű nagyfeszültségű egyenáramú összeköttetést az ASEA létesítette 1954-ben a svéd száraz-föld és a sörfőzéséről híres Gotland sziget között. A 96 km-es, 100 kV-os, 200 A-es, 20 MW-os, higanygőz-áramirányítós monopoláris összeköttetés zömmel a tengerfenéken, kábelben halad.

Kanadában, a Nelson River torkolata közelében lévő nagy vízerőművektől indul az 1977-ben épült 895 km-es, ±450 kV-os, 1620 MW-os Bipole 1, majd az 1985-ben épült 937 km-es, ±500 kV-os, 1800 MW-os Bipole 2 egyenáramú távvezeték, a 700 000 lakosú Winnipeghez közeli fogadó-állomással, amely még higanygőz egyen- és váltóirányítókkal létesült.

Mozambik legnagyobb

folyóján, a bővizű Zambezin,

az indiai-óceáni torkolattól

kb. 1000 km-re épült a

Cabora Bassa vízerőmű.

Tározójának legnagyobb

hosszúsága 292 km, leg-

nagyobb szélessége 38 km,

területe 2739 km2 (4,5-szer

nagyobb, mint a Balaton),

víztérfogata 55,8 km3, leg-

nagyobb mélysége 157 m.

A gát a kép jobb szélén van.

A közel 300 km hosszú tározó a

partnak mindössze két pontján

közelíthető meg közúti járművel,

így a Zambéziben és környékén

honos vadak háborítatlanul, sza-

badon élhetnek.

Az ötgépes Cabora Bassa erőmű összteljesítménye 5×415=2075 MW.

A gát látképe a felvíz felől (baloldalt) és az alvíz felől (jobboldalt).

Az erőmű alállomásának

fő berendezése a 400 kV-os

váltakozó áramot ± 533 kV-os

egyenárammá átalakító kon-

verter (a felső ábrán középen),

melynek tirisztorai szabadtéri

elhelyezésűek (szemben az

újabb létesítményekkel, mely-

eknél a tirisztorok zárt csar-

nokokban vannak).

A felső kép jobb oldalán és az

alsó képen láthatók az egyen-

irányítókat tápláló transzfor-

mátorok.

Az erőmű egyenirányító alállomásától 1414 km-es, ± 533 kV-os, 1920 MW átviteli képességű bipoláris egyenára-mú távvezeték megy a Dél-afrikai Köztársaságban, Johannesburg közelé-ben lévő Apollo alállomásig.

Az 1977-79 között épült 7000 oszlopos távvezeték két, egymástól 1 km-re lévő oszlopsoron halad, az áramvezető 4×565, a védővezető 1×117 mm2-es.

Földvezetéke a kb. 2000 km hosszban elnyúló, mintegy 150 m vastag fekete-szén-mező, melybe csak le kellett fúrni.

Az 1980-as évek elején, a mozambiki polgárháborúban 4200 oszlopa meg-semmisült vagy súlyosan megrongáló-dott. 1998-ra állították helyre.

•

A dél-afrikai Apollo alállomás váltóirányító berendezése.

A kép előterében látható sorba kapcsolt kompenzáló berendezések egyre magasabb támszigetelőkre vannak állítva, a földhöz képesti növekvő potenciáljuknak megfelelően.

Meglévő (piros), épülő (zöld) és tervezett (kék) nagyfeszültségű, egyen-áramú kábelösszeköttetések Európában.

2008-ban helyezték üzembe a világ legnagyobb átviteli kapacitású, nagy-feszültségű egyenáramú kábelét a norvégiai Feda és a hollandiai Eems-haven között. Az 580 km-es kábel terhelhetősége 700 MW. Készítéséhez 9000 t rezet és 12 000 t ólmot használtak fel, össztömege 47 000 t.

Árokásó és kábelfektető robotgép tenger alatti HVDC kábelhez

Brazíliában, az ország ÉNY-i részén nagy kapacitású víz-erőműveket építenek. Ezek teljesítményét a Porto Velho-i konverter alállomástól 2500 km-es, ± 600 kV-os, 3150 MW átviteli képességű egyenára-mú távvezetékkel szállítják el az Araraquara-i inverter al-állomásra, Sao Paulo nagy fogyasztású körzetébe.

Korszerű bipoláris, nagyfeszültségű, váltakozó – egyen – váltakozó áramú összeköttetés sémája. A háromfázisú, kétutas, 12 ütemű hidat megkettőzve hibatűrő kapcsolást kapunk: az egyik híd és a hozzá tartozó berendezés üzemzavara esetén a megmaradó séma – pl. a pozitív pólus és a föld, vagy a föld és a negatív pólus – átviszi a fele teljesítményt.

Az egyen- és váltóirányítókhoz csatlakozó transzformátorok szokásos konfigurációi:

(a) Egyfázisú, kéttekercselésű transzformátorokból összeállított 2 db háromfázisú csoport, az egyik szekundere csillag, a másiké delta kapcsolású.

(b) Egyfázisú, háromtekercselésű transzformátorokból összeállított 1 db háromfázisú csoport, az egyik szekunder tekercselés csillag, a másik delta kapcsolású.

(c) 2 db háromfázisú transz-

formátor, az egyik szekun-

der tekercselése csillag, a

másiké delta kapcsolású.

A (c) kapcsolási változat szerinti 2 db háromfázisú, kéttekercses transz-formátor; az egyik csillag/csillag, a másik csillag/delta kapcsolású.

A (b) kapcsolás szerinti egyfázisú, egy 500/3 kV-os primer és két 800 kV-os szekunder tekercsű transzformátor a kínai Yunnan-Guangdong 1438 km-es, ± 800 kV-os, 5000 MW-os egyenáramú átvitel egyenirányítóihoz és inverte-reihez való csatlakozásra. Balra a delta, jobbra a csillag kapcsolású szekunder tekercs átvezetői. (A felvétel a gyártómű próbatermében készült.)

Az (a) kapcsolás szerinti egyfázisú, kéttekercsű, csillag/delta kapcsolású ABB transzformátor, a 2000 km-es Xiangjiaba-Shanghai ± 800 kV-os, 6400 MW-os egyenáramú átvitel egyenirányítóihoz és invertereihez való csatlakozásra. Háttérben a primer tekercs 500/3 kV-os szabadtéri kivitelű, ernyős átvezető-

szigetelője, előtérben a szekunder tekercs kb. 14 m-es kompozit átvezetői.

Az (a) kapcsolás szerinti egyfázisú, kéttekercsű, csillag/delta kapcsolású Siemens transzformátor, a Yunnan-Guangdong 1438 km-es, ± 800 kV-os, 5000 MW-os egyenáramú átvitel egyenirányítóihoz és invertereihez való csatlako-zásra. Háttérben a primer tekercs 500/3 kV-os szabadtéri kivitelű, ernyős átvezető-szigetelője, előtérben a 800 kV-os szekunder tekercs 14 m-es kompozit átvezetői.

A ± 800 kV-os HVDC összeköttetés transzformátorának szekunder teker-cséhez tartozó 14 m hosszú kompozit átvezető szigetelő.

A Yunnan-Guangdong ± 800 kV-os, 5000 MW-os egyenáramú összeköt-tetés egyenirányító-csarnoka, a kettőzött háromfázisú, kétutas, 12 üte-mű egyenirányító 6 db függesztett, földrengésbiztos tirisztor-csoportjá-val. Balra az egyfázisú, kéttekercses transzformátorok benyúló kompozit átvezetői; elől a 3×2 csillag tekercsvégé, hátul a 3×2 Δ-é.

Elől a csillag kapcsolású tekercsek átvezető-szigetelői, hátul a delta kapcsolásúaké.

A Yunnan-Guangdong ± 800 kV-os, 5000 MW-os egyenáramú összeköt-tetés kettőzött háromfázisú, kétutas, 12 ütemű egyenirányítójának 6 db függesztett, földrengésbiztos tirisztor-csoportja. A tirisztorok vízhűtésű-ek, optikai kábeles gyújtásvezérlésűek. Balra alul az egyfázisú táptransz-formátorok delta kapcsolású tekercsének kompozit átvezető-szigetelői.

A 2000 km-es Xiangjiaba-Shanghai ± 800 kV-os, 6400 MW-os egyenára-mú átvitel függesztett, földrengésbiztos tirisztorcsoportjai.

Ugyanaz a berendezés alulnézetből; jól kivehető a koronasugárzást kiküszöbölő csőszerű burkolattal árnyékolt sodronysínezés

HVDC konverter-alállomás tipikus elrendezése. A diszpozíció a vízszintes tengelyre szimmetrikus, annak megfelelően, hogy a berendezés a pozitív pólus és a föld, valamint a föld és a negatív pólus között – fele teljesítménnyel, de egyébként azonos jellemzőkkel – üzemben tartható.

±500 kV-os egyenáramú távvezeték feszítőoszlopa négyes kötegű áramvezető-vel és kettős feszítő szigetelőláncokkal, melyek áganként 44 db egysapkás szi-getelőből állnak. Az áramkötések oszlophoz lengését korlátozzák a tartóláncok.

A kínai ± 800 kV-os, 5-7000 MW átviteli kapacitású egyenáramú távveze-tékek jellemző nyomvonala

A kínai ± 800 kV-os egyenáramú távvezeték jellemző saroktartó oszlopa

Nyolcas kötegű áramvezetőt feszítő 800 kV-os kettős feszítőlánc ívvédő szerelvényének igazítása (balra). Hatos tartólánc által függesztett négyes kötegű áramvezető beszabályozása 800 kV-os folyamkeresztező tartóoszlopon (jobbra).

A seejthető jövő

± 1100 kV-os egyenáramú távvezeték kísérleti szakasza a kínai próba-állomáson

Rugalmas, rezgéscsillapító betétű távolságtartó szerelésének gyakorlása laboratóriumban, nyolcas kötegű áramvezetőn (Kína)

A tervezett kínai ± 1100 kV-os egyenáramú összeköttetés konverter al-állomásának hazai gyártású simító fojtója

Új fejlemények a modern HVDC technikában:

1. 2012. novemberében az ABB bejelentette, hogy elkészült a nagy-feszültségű hibrid (villamos félvezetős és mechanikus) egyenáramú megszakító prototípusa. Ez lehetővé teszi kiterjedt, sokcsomópontú, nagyfeszültségű egyenáramú hálózatok létrehozását, amelyeken óriási teljesítmények áramolhatnak kis veszteséggel.

2. Mivel az off-shore szélparkok a tengerpartoktól egyre távolabbra „me-részkednek”, nemsokára elérik azt a távolságot, amelynél a váltakozó áramú tengeralatti erőátviteli kábel kapacitív töltőárama eléri a kábel termikus határáramát, így abba már semmi wattos áram „nem fér bele”. Ez – ha veszteségcsökkentési érvek nem lennének is – kikényszerítené az MVDC vagy HVDC kábelek alkalmazását.

3. Az új áramtermelési technikák egy része (üzemanyag-cella, fotovolta-ika) eleve egyenáramot állít elő.

4. Egyes szakértők becslése szerint ma a világon előállított váltakozó ára-mú villamos energia 60%-át egyenáramúvá alakítva használják fel.

Ezeket a kihívásokat a jövő villamosmérnökeinek ismerniük kell!

Forradalminak ígérkező készülék: a nagyfeszültségű hibrid (villamos félvezetős és mechanikus) egyenáramú megszakító, mely a következőképpen működik:

1. Üzemszerűen a sárga áramkör (a kevés félvezető elemből álló, ezért kis ohmos ellenállású, kis veszteségű segéd dc megszakító és a vele sorba kapcsolt igen gyors mechanikus szakaszoló) vezeti a több kA-es egyenáramot.

2. Szándékolt vagy védelmi „ki” parancsra lezár a segéd dc megszakító, majd miután az áram átterelődött a kék sokszekciós, sokelemes fő dc megszakítóra, kikapcsol a gyors szakaszoló.

3. Most zárásba vezérlik a fő dc megszakítót. Ha eközben túl nagy feszültség jutna a szekció(k) félvezető elemeire, azt a megszólaló rózsaszín varisztorok levezetik.

4. Miután a fő dc megszakítóban megszűnt az áram, működik a megszólalt variszto-rok maradékáramát kikapcsoló megszakító is.

Egy elképzelés a HVDC hibrid megszakító megvalósításáról: az egyen- és váltó-irányító tirisztorokéval azonos, függesztett szerkezetben tervezik elhelyezni a fő dc megszakító sok-sok sorba kapcsolt elemét, a vezérlő és a túlfeszültség-védelmi áramkörökkel együtt.

A jövőbeni középfeszültségű egyenáramú (MVDC) elosztóhálózat egy lehetséges sémá-ja: a gyűjtősín-szerű csomópont felett a betáplálások a szükséges áramnem- (ac/dc) és feszültségszint- (dc/dc) váltókkal, alatta az ac és dc fogyasztói csoportok.

A decentralizált áramtermelés újabb példája a BAT(buoyant airborne turbine – lebegő szélturbina): egymástól távoli kis települések, kis szigetek, katasztrófa-sújtott területek dc vagy ac ellátására. A héliummal töltött, uv-sugárzásnak és szélviharoknak ellenálló ballont a földről áramlevezető kábelekkel horgonyoz-zák ki, és engedik fel 200-400 m magasba, ahol a szélsebesség a felszíninek többszöröse. Ez a példány Alaszkában működik, teljesítménye 18 kW.

És lehet, hogy az előzőekben tárgyalt nagy- és igen nagy feszültségű be-rendezések és eszközök feleslegessé válnak, ha az USA-beli Long Island Power Authority-nak a képen látható, 2008-ban üzembe helyezett nagyhőmérsékletű szupravezető kábele (138 kV AC, 574 MW 2400 A(!)) és utódai széleskörű ipari alkalmazást nyernek.

Folyékony, 77,3 K-nél hidegebb nitrogénnel hűtött nagyhőmérsékletű szupravezető (HTS – high temperature superconductive) kábel felépítése és fényképe. Mivel a szupravezető egyenáramú kábel áramvezetőjének fajlagos konduktív ellenállása nanoohm× mm2/m nagyságrendű, adott telje-sítmény átviteléhez akár tízszeres áram, azaz tizedakkora feszültség tartozhat. Pl. 100 MW teljesítmény 120 kV helyett akár 10 kV-on is szállítható!

Vigyázat! Azért ne siessük el az áttérést a nagyfeszültségű, válta-kozó áramú távvezetékekről a kö-zépfeszültségű szupravezető ká-belekre, mert az előbbiek alkotják azt a többszintes hálózatot, amellyel a fogyasztókat ellátják.

Összefoglaló műszaki-gazdasági értékelés

Kínai számítások szerint 10 000 MW teljesítmény 3000 km-re történő szállí-tásához a különböző nagy- és ultranagy feszültségű és rendszerű távvezetékekből az ábrán látható darabszá-mú szükséges. Az átviteli veszteség a ± 1000 kV-os egyrendszerű egyenáramú távvezeték esetén a legkisebb.

„Coal by wire” – inkább áramot szállítsunk, mint szenet – mondják Kínában.

Hasonlítsuk össze a nagyfeszültségű egyen- és váltakozó áramú átvitel költ-ségeit az átviteli távolság függvényében!

AC: olcsó végpontok – drága távvezeték

DC: drága végpontok – olcsó távvezeték

A zöld AC és a piros DC egyenesnek nyil-ván létezik metszéspontja: ilyen hosszú összeköttetés esetén az AC és a DC vál-tozat beruházási költsége egyenlő. Kisebb távolságra az AC, nagyobbra a DC olcsóbb. Az interneten fellelhető adatok szerint a kék metszésponthoz tartozó hossz szabadvezeték esetén kb. 600 km, kábelnél kb. 60 km.

A konkrét számértékeket számos, itt fel nem sorolt tényező befolyásolja.

Németország 3 nagy észak-déli HVDC energiafolyosót tervez: kettőt az Északi-tengeri szélparkoktól, egyet a szászországi külfejtéses bányavidéktől.

Az egyenáramú Európai Szupergrid, ahogyan azt dr. Gregor Czish, a né-metországi Kasseli Egyetem professzora elképzeli …

„Bohóc”oszlopok az Albertirsa-Martonvásár I-II. 400 kV-os váltakozó ára-mú távvezeték és az M5 autópálya kereszteződésében. Érdeklődéssel várják, hogy az Európai Szupergrid elemeként mikortól fognak egyenára-mot szállítani …